Plasmón

Relació de dispersió en térmens de la freqüència angular normalisada per la freqüència de plasma {displaystyle omega /omega _{p}} , com a funció del paràmetro adimensional {displaystyle k_{x}c/omega _{p}} (proyecció perpendicular del vector d'ona multiplicada per la velocitat de la llum i dividida per la freqüència de plasma) d'una ona plana monocromàtica en buit (llínea sòlida negra), del plasmón de volum (llínea sòlida roja) i del plasmón polaritón de superfície (llínea sòlida blava) per a materials en una funció dielèctrica tipo Drude, considerant un interfaç entre estos materials i el buit. Per a excitar a un plasmón polaritón de superfície és necessari canviar l'índex de refracció del mig dielèctric que definix un interfaç en el mig metàlic, per eixemple amprant un prisma per a obtindre una ona plana viajant en vidre (llínea punteada negra); la regió sombreada delimita les freqüències a les que el plasmón polaritón de superfície pot excitar-se.

Relació de dispersió en térmens de la freqüència angular normalisada per la freqüència de plasma $\omega /{\omega }_p$, com a funció del paràmetro adimensional $k_{x}c/{\omega }_p$ (proyecció perpendicular del vector d'ona multiplicada per la velocitat de la llum i dividida per la freqüència de plasma) d'una ona plana monocromàtica en buit (llínea sòlida negra), del plasmón de volum (llínea sòlida roja) i del plasmón polaritón de superfície (llínea sòlida blava) per a materials en una funció dielèctrica tipo Drude, considerant un interfaç entre estos materials i el buit. Per a excitar a un plasmón polaritón de superfície és necessari canviar l'índex de refracció del mig dielèctric que definix un interfaç en el mig metàlic, per eixemple amprant un prisma per a obtindre una ona plana viajant en vidre (llínea punteada negra); la regió sombreada delimita les freqüències a les que el plasmón polaritón de superfície pot excitar-se.

El plasmón és una cuasipartícula que, estudiat des de la Mecànica quàntica, correspon un quant d'oscilació del plasma, mentres que des de la Física clàssica, descriu al camp electromagnètic produït per les oscilacions colectives dels electrons de conducció en un material. En un llenguage més tècnic, tant en el cas quàntic, com en el clàssic, els plasmones són oscilacions de la densitat d'electrons (interactuantes). Quan un plasmón s'acopla en la radiació electromagnètica es genera una atra cuasipartícula denominada plasmón-polaritón i este fenomen ocorre a freqüències característiques, que para materials com l'or i l'argent, es troben dins del espectre visible.

Els plasmones es classifiquen segons el lloc a on siguen excitats. Per un costat, si el plasmón es genera dins d'un material metàlic, se li denomina plasmón de volum o de bulto, mentres que en ser excitat en la superfície del material, depenent de la geometria, se li considera un plasmón de superfície (per a superfícies planes que poden considerar-se infinites) o un plasmón de superfície localisat (per a superfícies en un tamany finito). L'excitació dels plasmones de bulto pot realisar-se experimentalment en fas d'electrons i els plasmones de superfície s'exciten en ones electromagnètiques, per lo que són plasmones-polaritones.

Descripció

Els plasmones són explicats clásicamente usant el model de Drude dels metals. El metal és tractat com un cristal tridimensional d'ionés positius, junt a un gas d'electrons deslocalizado que es mou en esta ret de ions que formen un potencial periòdic.

Els plasmones tenen un rol important en les propietats òptiques dels metals. La llum és reflectida quan la freqüència és inferior a la freqüència de plasma, degut a que els electrons en el metal apantallan el camp elèctric incident. La llum de freqüència superior a la freqüència de plasma és transmesa, degut a que els electrons del metal no poden respondre tan ràpidament per a poder apantallar el camp. En la majoria dels metals, la freqüència de plasma està en l'ultravioleta, fent-los lluents (reflectivos) en el ranc de la llum visible. Alguns metals, com lo és el coure o l'or, presenten transicions electròniques de bandes en el ranc visible, per la qual cosa algunes llongituts d'ona del visible (colors) són absorbides, emetent el seu color característic. En semiconductorés, la freqüència de plasma dels electrons en la banda de valència està usualment en lo profunt del ultravioleta, raó per la qual són també materials reflectivos.

Usualment, l'energia del plasmón pot ser estimada en el model d'electró lliure com

$E_p=\hslash \sqrt{\frac{n{e}^2}{m{ϵ}_0}}$

a on $n$ és la densitat d'electrons de conducció, $e$ és la càrrega elemental de l'electró, $m$ és les massa de l'electró i ${ϵ}_0$ és la permitividad de l'espai lliure.

Plasmones de superfície

Els plasmones de superfície són aquells plasmones que estan confinats a les superfícies i que formen un polaritón quan interactuen en la llum. Ocorren en l'interfaç entre un dielèctric i un metal. Permeten explicar les anomalies en la difracció d'una ret de difracció metàlica (Anomalia de Wood) i també són útils en l'espectroscòpia Raman de superfície entre atres aplicacions. La resonància de plasmones superficials és utilisat en bioquímica per a l'estudi de mecanismes i la cinètica dels enllaços entre els ligandos i els receptors ( i.i. l'enllaç entre un substrat i una enzima).

Recentment, els plasmones de superfície són usats per a controlar els colors dels materials, açò és possible degut a que la forma de la superfície controla el tipo de plasmones superficials que es poden acoplar i propagar a través d'ella. Açò a la seua volta controla l'interacció de la llum en la superfície. Estos efectes són fàcils de vore en els vitralés que adornen les catedrals medievals. En este cas, el color està donat per nanopartículas metàliques que interactuen en el camp òptic per a donar al vidre el seu color radiant. Estos efectes han segut manipulats per a ser usats tant en el ranc visible com en les microonas.

Moltes investigacions són alvançades en el ranc de les microones perque és possible dissenyar mecánicamente superfícies materials en patrons de l'orde d'alguns pocs centímetros que són útils per a estes llongituts d'ones. En canvi, per a crear plasmones superficials en el ranc òptic implica produir superfícies en detalls menors als 400 nm. Açò és molt més difícil de construir i només ha segut possible de fabricar recentment gràcies a la nanotecnología.